散热技术之热管技术简介

热管技术

3、热管散热技术

热管是一种具有极高导热性能的传热元件，导热能力比普通金属高几百倍。据相关资料表明，高质量热管的传热效率是铜的1490倍，传递速度可达30m/s，远远高于世界上任何导热金属和传热技术，能到达瞬时传热的效果。

其实热管技术并不是近年才出现的新技术。它的历史可追溯到上世纪40年代，为了满足二次世界大战的需要，美国通用发电机工程师Gaugler就提出了类似于热管的设计方案，并在1944年取得了专利。到了1963年，第一根真正的热管被科学家George M．Grover 在美国加里佛尼亚大学的Los Alamos实验室制造出来。笔者有幸看到了当年第一根热管的设计笔记，但由于字迹潦草，具体内容还请有兴趣的读者自己研究。

热管技术应用广泛，在航空航天、铁路交通、取暖保温中有大规模的使用。而被引入IT硬件领域，还是上世纪90年代末，最早奔腾2笔记本电脑中出现了热管。使用目的是为了在压缩体积的条件下取得优秀的散热效果。

随着硬件发热量的提高，现有的传统风冷散热技术已经不能满足散热需求。于是出现了液冷、半导体制冷、压缩机制冷等散热方式，但由于安全性、稳定性与成本过高等问题无法普及应用。所以热管这种技术成熟，成本相对较低的技术就被越来越多的台式机散热器采用。

热管的工作原理与特点

热管的基本原理与空调等相变制冷类似，也可以说是一个微缩的相变制冷系统。它是利用高导热性液体相变时吸热蒸发、放热凝结的特性，将热量快速的从吸热端转移到散热端。

从原理示意图上我们可以看出，热管内部液体由于在吸热端受热而气化（按红色箭头的走向），蒸腾到散热端放热后液化（按蓝色箭头走向），最后回流到吸热端这一个循环过程。这个循环过程是在密闭的金属管体中进行的，不会有液体外漏的不稳定现象，而且热管体积也可控制，适合多种用途。

如果把热管剖开看，我们可以把热管分成管壳、吸液芯和蒸汽通道三个部分：管壳由于必须承受热管内部的真空高压，并且还必须更小的热阻，因此对管材的材料和制造工艺有很高的要求。目前广泛采用的是炭钢、铝、铜、不锈钢、钛等。吸液芯是一种多孔材质，它紧贴于热管内壁，利用液体的表面张力从凝结段将液体送回到蒸发段。吸液芯的材质主要是由金属网、泡沫材料、毛毡、纤维等多孔物质组成。热管的中间部分作为蒸汽传输通道。作为内部液体，一般选择与吸液芯有良好的相容性，并且导热性、稳定性、汽化性、安全性高的液态介质。目前PC热管散热器中主要使用的是铜-丙酮或铜-水组合。

由于热管中需要通道流动液体与气体，因此在使用中非常忌讳弯曲。有技术文档显示，热管每做一个180度的弯曲，就会降低大约37％的热传递效能。而在实际应用中，热管不可能不弯曲，为了保证不降低热传递性能，只能以增加热管数量来弥补。因此当前采用热管的CPU 散热器，都配备至少两根热管，最多甚至有12根热管。

12根热管的CPU散热器

有一个概念必须特别强调：热管是一种导热装置，并不是一种散热装置。

要将热管应用到散热方面，必须在热管的散热端安装一定的散热装置。如上图所示如果单纯的将热管和发热体相连，只能达到一个热量聚集的效果，并不能实现热量散发的功能。由此看出，现在市场上的高端热管散热器体积巨大并不是品牌炫耀的噱头，而是为了达到高性能所需的必要手段。

利用热管极高的导热性，由其组成的散热器具有传热效率高、结构紧凑、流体阻损小等优点。同时，热管散热端的散热片形状可以任意变化并增加散热面积，加工工艺相对简单，成本较低，所以在CPU散热器上已经开始普及化应用热管。

另一方面，由于热管技术非常成熟，所以相关产品的制造成本并不高。我们可以看看PC领域中所应用热管的国际价格（报价出自AVC 台湾网站OEM部），比如直径4mm、长度100～300mm的热管，参考价格是22新台币。

总结起来，热管作为热的“超导体”，随着生产技术的成熟，小型热管迅速实用化，成为小空间内转移热量的最有效手段。散热片中利用热管的“超导”特性——设计导热功率之内轴向温差极小，可随意分配吸热端、放热端的适应性，辅以其较同等效果金属更轻巧的外形与相对鳍片更显“宽广”的表面积，如果再加上内嵌于吸热底之中的全方位连接方式（具体工艺参见后文），几乎可以打破吸热底与鳍片连接面积的限制，将热量由吸热底内部，至少是更大表面积上迅速的传导到更大面积的鳍片上。近一段时间，热管在各种空冷散热器中受到了空前的推崇，各家的扛鼎之作多数可见到它的身影。

Tt的新一代领军人物——Tower112

采用热管进行吸热底到鳍片的热量传导具有一些传统结合方式无法比拟的优势：

1.热阻小——热管在设计功率以内，其热阻是同体积铜柱的几分之一、十几分之一，甚至几十分之一。通常全功率工作时，吸热段与放热段间的温差也只有2、3℃，因此才敢号称热的“超导体”。

2.重量轻——目前计算机散热所采用的热管通常为铜-水热管，吸液芯结构不外单层或多层网芯、金属粉末烧结与轴向槽道式三种，而小尺寸热管主要采用后两种。不论是何种内部结构，类真空的内部加上不足管径1/5厚度的铜质管壳，热管相比同体积的金属可大幅减小重量。

3.适应性好——小尺寸热管都具有不错的机械性能，只要不超过弯折半径的规定范围（根据吸液芯结构存在一定差别，通常要求弯折半径不小于三倍管径），可以进行各种角度的弯折，实现吸热底与鳍片间的灵活组合，可适应各种摆放方式。

4.接触面积大——热管的吸热段可以内嵌到吸热底内，管壳一周均与周围金属接触，实际连接面积可大于其底面积；与鳍片连接的放热段长度可以达到热管总长度的50％以上，连接面积更可达到传统连接方式的数倍以上，且可多点结合，能够直接将热量扩散到鳍片更广的范围上.

当然，利用热管实现热量由吸热底到鳍片的传导同样存在一些亟代解决的不足之处：

1.成本较高——相对传统的铜、铝合金等金属，材料成本提高了数倍以上。

2.加工复杂——由于增加了热管这种相对独立且细长的元件，散热片的成形过程复杂了很多，需要更多的人为干预，提高了加工成本，限制了产量。

3.存在介面阻抗——采用热管进行吸热底到鳍片的热传导，不可避免的需要将三者连接起来，则必然会产生介面阻抗，且由于热管对加工条件的一些特殊要求（例如温度——当热管温度超过一定水平时，会由于内部压力过大而爆炸），无法采用一些可获得低介面阻抗的结合工艺，难免损失一些性能。

4.易损坏——热管的正常工作要求完全的密封及吸液芯结构的完好，因此外部的物理损伤非常容易导致性能的大幅甚至全部丧失。与之相比，传统的散热片就要“坚强”得多。

5.工作温度不合适——虽然目前市场上散热器所采用的热管均为0～250℃的常温热管，但实际上目前半导体芯片正常工作的温度（不超过100℃），不足以令热管发挥出完全的效果，即无法达到最大热传导功率。因此，除非对热管工质进行大幅改进，或提高半导体制造工艺，令其可于高温下稳定工作，否则热管散热器就无法发挥出全部效能。

吸热底、鳍片内部也好，两者之间也罢，散热片的导热设计看似均为单向改进即可，实际上同样是面对着在厚度、面积、空间、设计、工艺等多种互相矛盾的因素间进行权衡的问题。热管的采用的确向设计者展现了一片更加广阔的空间，但同样需要面对加工、成本等方面的限制，仍然难以摆脱矛盾因素间进行权衡的困局。以下我们看看当前采用热管技术的散热器产品。

热管在PC上的应用方式

细分计算机所用的热管散热器，主要分为两类。一类是热管直接导热型，另一类是热管辅助散热型。

热管直接导热型：

热管直接导热型散热器是用铜块包裹住热管的热端，将铜块直接作用于发热体表面，使热量通过热管直接快速的传到有散热片覆盖的冷